[发明专利]用于自适应地控制天线参数以提高效率并维持小型天线尺寸的方法和设备

说明书

这是要求了于2005年10月17日提交的、已分配申请号11/252,248的美国专利申请权益的继续部分申请，所述申请要求享有于2004年10月15日提交的临时专利申请号60/619,231的权益。

技术领域

本发明总体上涉及用于无线通信设备的天线并且特别涉及用于自适应地控制天线参数以改进通信设备性能的方法和设备。

背景技术

已知天线性能取决于天线元件的尺寸、形状和材料成分、在元件之间的交互作用以及在某些天线物理参数(例如，直线天线的长度和环形天线的直径)之间的关系和由所述天线接收或发送的信号波长。这些物理和电特性确定了几个天线操作参数，包括输入阻抗、增益、方向性、信号偏振、谐振频率、带宽和辐射模式。由于天线是通信设备的信号接收和发送路径所必须的元件，所以天线性能直接影响设备性能。

通常，可操作的天线应当具有数量级为操作频率一半波长(或其倍数)的最小物理天线尺寸以便限制在电阻损耗中所耗散的能量并且使所发送或接收的能量最大化。由于接地面映像的效应，可以在接地面以上操作的四分之一波长天线(或其奇整数倍)呈现与半波长天线类似的属性。通信设备产品设计者更喜欢高效的天线，其能够进行宽带宽和/或多频带操作、被电匹配(例如，阻抗匹配)到通信系统的发送和接收组件并且可用于多个模式(例如，可选的信号偏振和可选的辐射模式)。

通常在许多应用中使用半波长偶极天线。辐射模式是常见的环形形状，其大部分能量在方位角方向上均匀地辐射并且少量能量在竖直方向上辐射。某些通信设备关心的频带为1710到1990MHz以及2110到2200MHz。半波长偶极天线在1900MHz近似为3.11英寸长，在1710MHz为3.45英寸长，并且在2200MHz为2.68英寸长。典型的增益大约为2.15dBi。

由半波长偶极导出位于接地面以上的四分之一波长单极天线。物理天线长度是四分之一波长，但是电磁能量与接地面(用于产生镜像天线)的交互作用使所述天线呈现半波长偶极性能。从而，在接地面上的单极天线的辐射模式类似于半波长偶极模式，典型的增益近似为2dBi。

共同的自由空间(即，不在接地面上)环形天线(其直径近似为所发送或接收频率波长的三分之一)还沿着径向轴显示常见的环形辐射模式，其增益近似为3.1dBi。在1900MHz，此天线直径大约为2英寸。典型的环形天线输入阻抗为50欧姆，向标准的50欧姆传输线路提供良好的匹配特性。

公知的贴片天线(patch antenna)向定向半球形范围提供近似为4.7dBi的增益。尽管与四分之一或半波长天线相比较很小，但贴片天线具有相对较窄带宽。小尺寸只可归因于与在贴片天线板之间所使用的绝缘材料相关联的传播速度。

给定四分之一和半波长天线的有益性能，通常构造传统的天线，使得天线长度数量级为辐射频率的四分之一波长并且在接地面上操作所述天线，或者在不使用接地面的情况下所述天线长度为半波长。这些尺寸允许天线能够以谐振频率或其附近频率被容易地激励和操作(其中依照方程式c＝λf来确定谐振频率(f))，其中c为光速并且λ为电磁辐射的波长)。一半和四方之一波长天线限制在电阻损耗中所耗散的能量并且使所发送的能量最大化。但是当操作频率增加/降低时，操作波长降低/增加并且天线元件尺寸按比例地降低/增加。特别地，当所接收或发送信号的谐振频率降低时，四方之一波长和半波长天线的尺寸按比例地增加。所产生的更大天线，即便在四分之一波长，可能不适于供某些通信设备使用，特别是意在由用户携带的便携式和个人通信设备使用。由于这些天线趋向于比通信设备大，所以它们一般被安装在从通信设备伸出的一部分天线上从而易被破坏。

无线通信设备和系统的迅速发展使得十分需要物理尺寸小、较少突出并且更高效的天线，其能够进行宽带宽或多频带操作和/或在多模式下操作(即，可选的辐射模式或可选的信号偏振)。例如，利用多个通信系统或在不同频带内的信号协议来操作的通信设备可能要求在多频带中操作。例如，移动电话系统发送器/接收器和全球定位系统接收器使用不同的信号协议在不同的频带中操作。由于在不同的国家通常并不分配通信频率，所以在多个国家设备的操作还要求多频带操作。

诸如个人通信手持电话之类的最新的通信设备的较小封装没有为常规的四分之一和半波长天线元件提供足够的空间。随后探求物理尺寸更小的天线，其可在所关心的频带内操作(即，呈现多个谐振频率和/或宽带宽以覆盖通信设备的所有操作频率)并且提供其它想要的天线操作属性(输入阻抗，辐射模式，信号偏振等)。